CC BY
16УДК 621.18-182.2.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ГАЗОВ С ПОМОЩЬЮ КОТЛОВ-УТИЛИЗАТОРОВ НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
Харченко Павел Алексеевич, магистрант, направление подготовки 08.04.01 Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: pasha97_06@mail.ru
Научный руководитель: Земцов Виктор Валерьевич, кандидат химических наук, доцент кафедры тепло-газоснабжения, вентиляции и гидромеханики, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: zemtsov_work@mail.ru
Аннотация. На данный момент утилизация тепловой энергии газов приобретает огромный потенциал в структуре промышленных предприятий, разрабатываются технологические схемы и термические процессы с целью снижения тепловых потерь установок и повышения энергоэффективности предприятия в целом. В данной статье рассматриваются вопросы рекуперации (это возвращение части энергии для повторного использования в том же технологическом процессе) тепловой энергии газов и эффективности способов утилизации. Основная цель проведённого исследования заключается в разработке более энергетически выгодной схемы утилизации тепловой энергии уходящих газов в котлах-утилизаторах на химических предприятиях с целью дальнейшего применения энергии в системе теплоснабжения. На основе внедрения данной схемы определяются энергетические и экономические критерии эффективности оборудования, имеющегося в составе предприятия.
Ключевые слова: утилизация, энергия, устройство, котел-утилизатор, дымовые газы, печь, тепло.
Для цитирования: Харченко П. А. Совершенствование утилизации тепловой энергии газов с помощью котлов-утилизаторов на промышленных предприятиях // Шаг в науку. - 2021. - № 1. - С. 106-110.
IMPROVING OF UTILIZATION OF THERMAL ENERGY OF GASES USING WASTE HEAT BOILERS AT INDUSTRIAL ENTERPRISES
Kharchenko Pavel Alekseevich, undergraduate, training program 08.04.01 Heat and gas supply of populated areas and enterprises, Orenburg State University, Orenburg e-mail: pasha97_06@mail.ru
Research advisor: Zemtsov Viktor Valerievich, PhD in Chemical Sciences, Associate Professor, Department of Heat and Gas Supply, Ventilation and Hydromechanics, Orenburg State University, Orenburg e-mail: zemtsov_work@mail.ru
Abstract. At the moment, the utilization of thermal energy of gases is acquiring a huge potential in the structure of industrial enterprises, technological schemes and thermal processes are being developed in order to reduce heat losses of installations and increase the energy efficiency of the enterprise as a whole. This article discusses the issues of recuperation (this is the return of a part of the energy for reuse in the same technological process) of thermal energy of gases and the efficiency of utilization methods. The main goal of the study is to develop a more energetically favorable scheme for utilizing thermal energy of exhaust gases in waste heat boilers at chemical plants with the aim offurther using energy in the heat supply system. On the basis of the implementation of this scheme, energy and economic criteria for the efficiency of the equipment available in the enterprise are determined.
Key words: utilization, energy, device, waste heat boiler, flue gases, furnace, heat.
Cite as: Kharchenko, P. A. (2021) [Improving of utilization of thermal energy of gases using waste heat boilers at industrial enterprises]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 1, рр. 106-110.
Основным направлением развития энергетики в настоящее время является повышение эффективности использования природного топлива. Большинство котельных установок в настоящее время работает на природном газе и имеет КПД 75-90 %. Исходя из теплового баланса котельных установок, наибольшими потерями являются потери тепла
с уходящими газами - 5-25 % [8], поэтому одна из задач в повышении эффективности и КПД котлов заключается в уменьшении этих тепловых потерь. Добиться снижения потерь можно за счёт снижения температуры газов. В связи с этим, в работе рассмотрены технологии утилизации тепла дымовых газов на промышленных предприятиях, имеющих в сво-
ем составе такое энергетическое оборудование, как печи, котлы-утилизаторы и т. д.
Предварительный анализ применяемых в настоящее время на отечественных промышленных предприятиях технологий утилизации тепловой энергии дымовых газов [1-3, 7-9] и современных технологий (в том числе зарубежных) [10-12] позволяет
предположить, что утилизация происходит не в полном объеме, в результате этого имеет место снижение энергетического потенциала предприятия.
На основании источников [2-8] можно сделать вывод, исходя из которого, основной схемой утилизации тепловой энергии дымовых газов является схема, представленная на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема утилизации тепловой энергии газов: 1 - печь, 2 - котел-утилизатор Источник: взято из [2-8]
В процессе утилизации теплоты по такой схеме газ из газопровода и воздух из воздухопровода поступают в горелку, подогревающую печь. В печь
1 загружаются исходные компоненты для получения продукта, при их взаимодействии происходит термохимическая реакция с выделением тепловой энергии. Как правило, после печи дымовые газы
2 направляются по газоходу в котел-утилизатор 3, в котором они передают часть тепловой энергии теплоносителю, движущемуся в устройствах:
пароперегревателе, экономайзере, испарителе. После передачи тепловой энергии значительная часть тепла теряется с уходящими газами из котла утилизатора в атмосферу с температурой около 180-200 °С.
Несмотря на относительно невысокие значения (по сравнению с первоначальными), такая температура позволяет рассматривать газы как потенциальный источник тепла - это подтверждают данные [2], представленные в виде таблицы 1.
Таблица 1. Данные по возможному нагреву теплоносителя при утилизации тепла отходящих дымовых газов (ТЭЦ на природном газе) [2]
Температура дымовых газов входе (в теплообменник), °С Возможность получить температуру теплоносителя до, °С Температура дымовых газов на выходе из теплообменника, °С
200 110 70
190 100 60
170 90 50
150 70 40
Источник: разработано автором на основе [2]
Исходя из этого, представленная выше схема (рисунок 1) хоть и является относительно простой, но ее технологический процесс имеет значительный потенциал для повышения энергоэффективности и экономии ресурсов предприятия.
В результате изучения имеющихся технологий утилизации тепловой энергии дымовых газов, была разработана схема, которая, с точки зрения авторов, представляется более продуктивной (рисунок 2).
Аналогично первой схеме, газы по газоходу будут направляться в котел-утилизатор 2, в котором установлен воздухоподогреватель 3 с целью предварительного нагрева воздуха и подачи его в печь
1 совместно с газом. Цикл работы «вода-пар» замкнут, то есть после того, как пар отработал в технологических установках 4, он подается в конденсатор и затем в ХВО.
Для организации системы теплоснабжения предприятия утилизируемым теплом возможно два варианта:
1. Установка в котел-утилизатор дополнительного экономайзера.
Помимо основного питательного, который нагревает воду перед подачей в барабан, устанавливается ещё и теплофикационный экономайзер, задачей которого является нагрев воды до требуемой
температуры и подача её в систему теплоснабжения предприятия.
2. Установка рядом с котлом-утилизатором конденсационного котла.
Рисунок 2. Предлагаемая общая схема утилизации тепловой энергии отходящих газов: 1 - печь, 2 -котел-утилизатор, 3 - воздухоподогреватель, 4 - технологические установки, 5 - конденсационный котел, 6 - система теплоснабжения
Источник: разработано автором на основе [2-12]
Установка конденсационного котла обусловлена тем, что они достаточно эффективны и имеют высокий коэффициент полезного действия. В этих котлах утилизируется помимо явной теплоты ещё и скрытая, образованная в результате конденсации Н20. За счет этой технологии их КПД достаточно высокий и может варьироваться от 92 % до 96 %. По сравнению с технологией утилизации, рассмотренной на рисунке 1, вариант имеет КПД выше на 5-10%.
В качестве примера рассмотрим первый вариант организации системы теплоснабжения предприятия утилизируемым теплом - установка в котел-утилизатор дополнительного экономайзера.
Поскольку из-за того, что утилизация тепла происходит не полностью и температура достигает 180-250 °С, имеют место коррозионные явления, образующиеся на устройствах котельной установки - пароперегревателе, испарителе, экономайзере. Данные явления влекут образование конденсата Н20, содержащегося в дымовых газах, и тем самым уменьшают эффективность агрегата.
В модернизированной тепловой схеме предлагается в котел-утилизатор установить дополнительные контуры рециркуляции 5, которые с помощью циркуляционного насоса 7 обеспечивают постоянный отбор сетевой воды из концевого участка и перемещают ее на начальный участок линии. Это позволяет осуществлять направленное регулирование температуры воды на входе в котел-утилизатор и в результате чего ожидается подъем температуры материала поверхностей нагрева (металл), соприкасающегося с дымовыми газами выше «точки росы», т. е. выше температуры насыщения водяных
паров, содержащихся в дымовых газах, что, соответственно, уменьшит явления коррозии.
Таким образом, при внедрении предложенной схемы становится возможной более глубокая утилизация тепловой энергии отходящих газов и уменьшение коррозионных эффектов на поверхностях нагрева котла.
Уточнённая версия схемы на основе [5-12] представлена на рисунке 3.
Отходящие дымовые газы из вращающейся барабанной печи по дымовым каналам 1 направляются в воздухоподогреватель 2, где происходит нагрев воздуха для подачи его в печь. Затем газы перемещаются в котел-утилизатор 3. На этом этапе происходит процесс утилизации тепловой энергии отходящих дымовых газов (за счет получения пара при помощи нагрева воды), которые затем удаляются через дымосос 4.
Отбор некоторой части воды с испарителя будет подаваться в экономайзер за счет внедрения рециркуляционного контура 5, при этом движение воды циклично. В результате часть сетевой воды будет отбираться на различные нужды предприятия, в том числе и технологические. С помощью насоса 6, установленного на рециркуляционном контуре, осуществляется организация подачи воды с хвостовой части котла-утилизатора (испаритель) в начальную (экономайзер).
Таким образом, в предложенной и рассмотренной схеме реализуется основное преимущество, направленное на увеличение утилизации тепла отходящих газов и уменьшения коррозионных эффектов на поверхностях нагрева котла. Следует отметить, что коррозия, образованная в результате
конденсации влаги, сказывается не только на котле, но и прилегающем к нему оборудовании - дымосос, боров, дымовая труба и т. д. Исходя из вышесказанного, требуется организовывать защиту установок - часть горячих дымовых газов пропустить через байпас 7 с регулирующим шибером 8. Это позволит подобрать соотношение между нагретой
и оборотной водой в конкретном технологическом цикле таким образом, чтобы температура на входе котла-утилизатора и температура материала устройств экономайзера (испарителя, пароперегревателя) была выше «точки росы» и температуры насыщения водяных паров, содержащихся в дымовых газах.
Рисунок 3. Модернизированная (уточнённая) схема утилизации тепловой энергии отходящих газов: 1 - газоход, 2 - воздухоподогреватель, 3 - поверхности нагрева котла-утилизатора (пароперегреватель, испаритель, экономайзер), 4 - дымосос, 5 - контур рециркуляции, 6 - насос, 7 - байпас, 8 - регулирующий шибер
Источник: разработано автором на основе [2-12]
На основании проведенных расчетов применительно к разработанной схеме утилизации теплоты отходящих дымовых газов (рисунок 3) можно утверждать, что её внедрение в технологический цикл производства позволит в значительной мере повысить:
- энергетическую эффективность предприятия в результате более полной утилизации теплоты и её применения для нужд предприятия;
- экономическую эффективность работы «вода-пар» в котле-утилизаторе и экономии на процессах водоподготовки (сокращение количества циклов водоподготовки);
- общую экономическую эффективность от утилизации - теплоты отходящих газов для теплоснаб-
жения непосредственно предприятия и, соответственно, снижения зависимости от внешних источников теплоснабжения.
По результатам внедрения разработанной схемы в технологический цикл производства, значительно повысятся такие факторы, как энергетическая эффективность и экономическая составляющая, поскольку тепло уходящих газов будет подвергаться глубокой утилизации, направленной на получение тепла для системы теплоснабжения. Также вследствие замкнутой схемы цикла «вода-пар» будет происходить экономия средств на приобретение воды и получение системы теплоснабжения от внешних источников.
Литература
1. Балейно Ж. М., Фен Хуан, ЦзеЧжэн Потенциалы и технологии рекуперации тепла в промышленных зонах // Журнал Энергетического института. 2016. - № 1. - С. 951-961.
2. Беспалов В. В. Повышение эффективности глубокой утилизации тепла дымовых газов ТЭС на природном газе: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.14. -Томск, 2017. - 119 с.
3. Беспалов В. В. Технологии глубокой утилизации тепла дымовых газов // Энергетика Татарстана. -2015. - № 2(38). - С. 32-36.
4. Ефимов А. В., Гончаренко А. Л., Касилов О. В., Гончаренко Л. В. Выбор оптимальных параметров теплоносителей при разработке системы глубокой утилизации теплоты уходящих из котельных агрегатов газов // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. - 2014. - № 3. - С. 2-11.
5. Ионкин И. Л. Оценка эффективности рекуперации низкопотенциального тепла уходящих дымовых газов в конденсационном теплоутилизаторе при различных условиях работы котла и теплосети // Теплоэнергетика. - 2016. - № 6. - С. 63-68.
6. Йодрак Л., Риттидех С. Восстановление отработанного тепла с помощью воздухонагревателя с те-
пловой трубой в энергию // Исследовательская лаборатория по проектированию тепловых труб и тепловых инструментов - 2010. - № 7. - С. 675-681.
7. Пат. № 2001100792 Российская Федерация, МПК 7 F 22 B 1/18, F 24 H 1/00. Устройство для нагрева сетевой воды теплом уходящих дымовых газов котла / Воронов В. И.,; заявитель и патентообладатель Воронов В. И., Благодер В. А., Любич В. А., Тихонов Э. Р. № 2001100792/06; заявл. 09.01.2001; опубл. 27.07.2002,- 5 с.
8. Харченко П. А. Анализ применения утилизационных технологий с помощью котлов-утилизаторов в структуре химических предприятий // Шаг в науку. - 2020. - № 2. - С. 52-55.
9. Шацких Ю. В., Шарапов А. И., Бянкин И. Г. Анализ глубокой утилизации тепла из дымовых газов // Физический журнал: серия конференций. 2017. № 891. - С. 1-6.
10. Bramfoot S., Dixon J., Martin J. R., Robertson A. D. Design of waste heat boilers for energy recovery from the exhaust gases of an arc furnace // Energy saving in industry - combustion, heat recovery and Rankine cycle machines. Springer, Dordrecht. - 1983. - Vol. 1. - № 1. - P. 220-248.
11. H. Jouhara, N. Khordehgah, S. Almahmoud, B. Delpech, A. Chauhan, S. A. Tassou Waste heat recovery technologies and applications // Institute of Energy Futures, College of Engineering, Design and Physical Sciences, Brunel University London. - 2018. - UB8 3PH, UK- № 1. - P. 268 -289.
12. Karanfil G, Ru§en Application of recuperator for waste heat recovery from exhaust flue gas in hot water boiler in a central heating plant // International conference on material science and technology (IMSTEC). -2019. - Vol. 20. - № 1. - P. 112-120.
Статья поступила в редакцию: 17.09.2020; принята в печать: 19.01.2021.
Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.
